DATABRUKERENS HANDLINGER
4.3 Nærmere om de enkelte idealtypiske metodetrinnene
4.3.2 Beslutninger om mål og kriterier for aksept av risiko
No decorrer da dissertação surgiu a possibilidade de implementar o protótipo do projeto e desse modo passar a ter uma montagem compacta, em vez de deixar o projeto em bancada. O objetivo final desta fase é implementar o sistema num painel metálico comummente utilizado para quadros elétricos.
No processo foi também implementada uma placa em PCB para cumprir especificamente com os requisitos do sistema, em vez de continuar a reutilizar só alguns componentes das placas já existentes. Em seguida, são apresentadas as diferentes partes do desenvolvimento do protótipo.
Implementação da placa de acondicionamento e comando
De acordo com as necessidades do sistema na fase de implementação, decidiu-se optar pela implementação de uma nova placa, com o intuito de resolver todos os problemas que foram surgindo. A placa tem como objetivo cumprir com os seguintes requisitos:
Ligar com a FPGA diretamente a partir do conetor FX2, do mesmo modo que liga ao módulo de interfase MIB;
Permitir a ligação aos drivers do inversor, de modo a conseguir enviar todos os sinais de comando e receber os respetivos sinais de erro;
Possibilitar a ligação com os sensores de corrente e tensão, para depois realizar o acondicionamento dos sinais;
Permitir que os sinais enviados pelos sensores, passem pelos ADCs antes de chegar à Spartan 3-E, necessitando a inserção dos PmodAD1 na placa;
Criar uma ligação para obter o sinal de referência, respetivo acondicionamento e conversão;
Adicionar um conector para aceder aos sensores do motor. Adicionar o acondicionamento de sinal e conversão;
Incluir todos os circuitos de acondicionamento dos sinais e deteção de erros dos sinais provenientes dos sensores, para salvaguardar a integridade dos ADCs e da FPGA;
Adequar as tensões entre os diferentes dispositivos;
Adicionar conectores compatíveis com os PmodDA2 para conseguir ter acesso às variáveis internas;
Adicionar um conector para obter alimentação de uma fonte externa, de modo a alimentar os componentes com as tensões necessárias;
De acordo com os requisitos descritos foi desenvolvido na plataforma PADs logic os circuitos necessários. O software PADs, desenvolvido pela Mentor Graphics, possui uma ampla gama de componentes eletrónicos frequentemente utilizados, com os quais é possível criar os circuitos eletrónicos e a partir daí criar o esquema do circuito em PCB. Este programa tem uma grande flexibilidade para a criação das PCB, chegando a ser possível a criação de novos componentes, que não se encontrem disponíveis nas bibliotecas de componentes. Para a criação do PCB, a Mentor Graphics também possui uma plataforma, PADs layout, através da qual se consegue dimensionar diversas características: tamanho final da PCB, disposição dos componentes, distribuição das pistas entre as ligações dos componentes, entre outros.
Figura 5.13 - PCB desenvolvido para o acondicionamento dos sinais (esquerda) e versão da PCB referindo as ligações com a FPGA.
Na Figura 5.13 pode-se observar (no lado esquerdo) o resultado final da placa de acondicionamento, sendo esta a versão impressa, à qual foram soldados os componentes,
testada e utilizada no protótipo final desenvolvido. Do lado direito da mesma figura, apresenta-se com especial interesse os componentes que têm acesso direto aos pinos da FPGA através do barramento FX2.
O PCB foi impresso nas oficinas da Universidade do Minho, utiliza duas camadas e tem como dimensões 190 mm por 151 mm. Devido a problemas técnicos relacionados com a máquina de metalizar, aspeto já tido em conta no momento de criação da placa, podem ser observadas vias a mais, utilizadas para fazer as ligações entre as duas camadas. O circuito de amostragem (Figura 5.14) é composto por um ampop ligado como amplificador inversor, cuja finalidade é fixar os valores médios da corrente em 1,5 V e, assim, evitar ter valores negativos à entrada dos ADCs. Encontra-se ligado ao circuito um díodo de zener em paralelo para evitar possíveis valores acima dos 3,3 V. O sinal antes de chegar aos ADC passa por um filtro RC de primeira ordem. Este circuito foi aplicado nos três sinais de corrente e nos sensores de posição do motor.
Figura 5.14 - Circuito equivalente da aquisição dos sinais e filtragem.
Para o circuito de deteção de erro foram utilizados comparadores, para definir qual o intervalo de valores que o sinal pode ter. Valores que se apresentem fora deste intervalo fazem gerar um sinal que é considerado um erro no sistema. Todos os erros considerados possuem este circuito (Figura 5.15) e são enviados para uma porta OR de oito entradas.
Figura 5.15 - Circuito equivalente de deteção de erros.
Os sinais de erro e reset são enviados para a FPGA, depois do sinal ter sido adequado a valores entre 0 e 3,3 V, através de optocopladores. Através da descrição de
0,45 µs, descartando possíveis picos instantâneos de corrente ou problemas na adquisição de dados. Depois deste tempo estipulado o sistema é forçado a parar, principalmente as comutações do inversor.
Como é possível ver em destaque no lado direito da Figura 5.13, o circuito integrado
MC14504B (Hex Level Shifter) permite adequar os valores dos sinais de controlo para os
IGBTs provenientes da FPGA.
Na Figura 5.16 encontra-se uma imagem do resultado final da placa de acondicionamento de sinal implementada, sinalizando os principais componentes e ligações que esta possui.
Na Figura 5.17 temos a ligação direta da FPGA com a placa de acondicionamento, sendo este o produto final e como se encontra montada no protótipo do projeto.
Figura 5.16 - Placa de acondicionamento e comando.
No protótipo, estas placas têm acesso a todos os componentes, desde os sensores e inversor, até aos sinais provenientes do painel do quadro elétrico. Na Figura 5.18 pode- se observar como se encontram ligados todos os componentes que compõem o sistema.
O protótipo foi inserido numa estrutura metálica usualmente utilizada para quadros elétricos. Todos os componentes se encontram afixados a uma base, que é utilizada como guia para afixar a montagem dentro do quadro elétrico. Assim sendo, as dimensões finais deste protótipo são de 40x50x25 cm, e possui um painel com as respetivas ligações necessárias para utilização.
Na Figura 5.19 a) é possível observar o resultado final do protótipo ao inserir os componentes dentro do quadro elétrico. Nas Figura 5.19 b) e c) apresentam-se os esquemas da montagem e painel de ligações, respetivamente. Nas Tabela 2 e Tabela 3 listm-se os componentes das Figura 5.19 b) e c), respetivamente.
a)
b)
c)
Figura 5.19 - Implementação do protótipo: a) montagem final, b) esquemático dos componentes que compõem no protótipo e c) conectores disponíveis no painel.
Tabela 2 - Componentes da Figura 5.19 b) utilizados na implementação.
Componentes do protótipo 1 FPGA Xilinx Spartan 3-E starded kit board. 2 Placa de acondicionamento de sinal.
3 Dissipador.
4 Drivers Semikron Skyper 32 pro R.
5 IGBTs Semikron SKM 100GB176D. 6 Sensores de corrente LEM LA 55-p. 7 Sensor de tensão LEM LV 25-p.
8 Transformador de alimentação da FPGA.
9 Barramento CC para ligação entre os módulos de IGBTs. 10 Calhas para acomodar as ligações entre os componentes. 11 Painel de conexões.
3
1112
1
5
9
4
4
4
6
6
6
7
8
11
5
5
10
8 9 11 1 2 1 2 1 3 4 5 6 7 10 + - a b cTabela 3 - Conectores da Figura 5.19 c) utilizados no painel de ligações.
Conectores do painel
1 Conector de alimentação PA-75 tipo Anderson para ligação das diferentes fases do inversor.
2 Conector de alimentação PA-75 tipo Anderson para ligação da componente de alimentação do barramento CC.
3 Conector circular de seis pinos para ligação dos sensores do motor.
4 Conector DB9 para acesso a três pinos I/O da placa que ligam diretamente com a FPGA.
5 Conector DB9 para acesso à porta serie RS-232 da FPGA. 6 Conector XLR mini para ligação do sinal de referência. 7 Conector USB tipo B para acesso à programação da FPGA. 8 Alimentação +15 V.
9 GND.
10 Alimentação -15 V.
11 Ficha de alimentação da FPGA.
Todo o sistema é alimentado a partir dos conectores 8, 9 e 10: sensores, placas de acondicionamento e drivers. O conector 11 está encarregue de alimentar a FPGA e esta, por sua vez, alimenta os componentes presentes na placa de acondicionamento que precisam de +3,3 V. A partir deste protótipo foi possível realizar todos os testes e verificar os resultados.